GENETICKÁ REKOMBINÁCIA: TYPY A MECHANIZMY - BIOLÓGIE - 2026

Genetická rekombinácie je proces, pri ktorom molekuly fragmentov nukleových kyselín vymenil generovanie novej molekuly. V DNA je veľmi častý, ale RNA je tiež substrátom pre rekombináciu. Rekombinácia je po mutácii najdôležitejším zdrojom generovania genetickej variability.

DNA sa zúčastňuje rôznych biochemických procesov. Počas replikácie slúži ako šablóna na generovanie dvoch nových molekúl DNA. Pri transkripcii umožňuje generovať molekuly RNA zo špecifických oblastí kontrolovaných promótorom.

Všeobecné kroky rekombinácie DNA. Juergen Bode, prostredníctvom Wikimedia Commons

Ale okrem toho je DNA tiež schopná vymieňať fragmenty. Týmto procesom sa generujú nové kombinácie, ktoré nie sú produktom predchádzajúcich dvoch procesov ani oplodnenia.

Celý proces rekombinácie zahŕňa rozbitie a spojenie molekúl DNA, ktoré sa zúčastňujú na tomto procese. Tento mechanizmus sa líši v závislosti od rekombinantného substrátu, enzýmov, ktoré sa zúčastňujú na procese a mechanizmu jeho vykonávania.

Rekombinácia všeobecne závisí od existencie komplementárnych, podobných (ak nie identických) alebo homologických oblastí medzi rekombinantnými molekulami. V prípade, že molekuly sa rekombinujú v procesoch, ktoré sa neriadia homológiou, je rekombinácia považovaná za nehomologickú.

Ak homológia zahŕňa veľmi krátku oblasť prítomnú v obidvoch molekulách, považuje sa rekombinácia za miestne špecifickú.

definícia

To, čo pri rekombinácii nazývame homológiou, sa nemusí nevyhnutne týkať evolučného pôvodu zúčastnených molekúl. Skôr hovoríme o stupni podobnosti v nukleotidovej sekvencii.

Napríklad nereparatívna rekombinácia sa vyskytuje v eukaryotoch počas procesu meiózy. Nepochybne nemôže existovať väčšia homológia ako medzi pármi chromozómov v tej istej bunke.

Preto sa nazývajú homológne chromozómy. Existujú však prípady, keď si DNA bunky vymieňa materiál s cudzou DNA. Tieto DNA musia byť veľmi podobné rekombinácii, ale na dosiahnutie tohto cieľa nemusia nevyhnutne zdieľať rovnakého predka (homológiu).

Chiasm a crossover

Miesto pripojenia a výmeny medzi dvoma molekulami DNA sa nazýva priepasť a samotný proces sa nazýva zosieťovanie. Počas kríženia sa overuje výmena pásov medzi zúčastnenými DNA.

To vytvára kointegrát, čo sú dve molekuly DNA fyzicky spojené do jednej. Keď sa kointegrát "rozloží", vytvoria sa dve molekuly, ktoré sa spravidla menia (rekombinantné).

V rámci rekombinácie je „vyriešiť“ oddelenie molekúl DNA kointegrátu.

Druhy genetickej rekombinácie

- Rekombinácia špecifická pre určité stránky

Pri miestne špecifickej rekombinácii majú dve molekuly DNA, obvykle nie homológne, krátku sekvenciu spoločnú pre obe. Táto sekvencia je cieľom špecifického enzýmu zostrihu.

Enzým, ktorý je schopný rozoznať túto sekvenciu a nie inú, ju štiepi na konkrétnom mieste v oboch molekulách. S pomocou niektorých ďalších faktorov zamení DNA pásy dvoch zúčastnených molekúl a vytvorí kointegrát.

Escherichia coli

Toto je základ pre tvorbu kointegrátu medzi genómom baktérie Escherichia coli a genómu bakteriofága lambda. Bakteriofág je vírus, ktorý infikuje baktérie.

Tvorba tohto kointegrátu sa uskutočňuje enzýmom kódovaným vo vírusovom genóme: lambda integráza. Rozpoznáva spoločnú sekvenciu nazývanú attP v cirkulárnom genóme vírusu a attB v baktérii.

Rozrezaním oboch sekvencií v obidvoch molekulách sa generujú voľné segmenty, vymieňajú sa pásy a spájajú sa dva genómy. Potom sa vytvorí väčší alebo kointegrovaný kruh.

Pri kointegrácii je vírusový genóm pasívne nesený bakteriálnym genómom, s ktorým sa replikuje. V tomto stave sa hovorí, že vírus je v provírusovom stave a že preň je baktéria lysogénna.

Reverzný proces, to znamená rozlíšenie kointegrátu, môže trvať mnoho generácií - alebo dokonca nemôže nastať. Toto je však enzymaticky sprostredkované ďalším proteínom kódovaným vírusovým genómom nazývaným excisionáza. Ak k tomu dôjde, vírus sa oddeľuje od kointegrátu, reaktivuje a spôsobuje lýzu buniek.

-Homologická rekombinácia

Všeobecná rekombinácia

K homológnej rekombinácii dochádza medzi molekulami DNA, ktoré zdieľajú najmenej asi 40 nukleotidov úplnej alebo takmer úplnej podobnosti. Aby sa uskutočnil proces rekombinácie, musí byť zapojená aspoň jedna endonukleáza.

Endonukleázy sú enzýmy, ktoré robia vnútorné rezy v DNA. Niektorí to robia, aby pokračovali v degradácii DNA. Iní, ako v prípade rekombinácie, robia to, aby vytvorili DNA v DNA.

Tento jedinečný nick umožňuje spracovanie jednokopovej DNA s voľným koncom. Tento voľný koniec, ktorý je orientovaný rekombinázou, umožňuje jednému pruhu napadnúť dvojitú DNA a vytlačiť rezidentný pás s ním identický.

Toto je bod kríženia medzi donorovou ("invadujúcou") molekulou DNA a iným receptorom.

Enzým (rekombináza), ktorý vykonáva proces invázie a výmeny pásov v Escherichia coli, sa nazýva RecA. V prokaryotoch existujú ďalšie homológne proteíny, ako napríklad RadA v archaea. V eukaryotoch sa ekvivalentný enzým nazýva RAD51.

Akonáhle invazívne pásmo vytlačí rezidenta, interaguje s pásmom, ktorý bol v molekule darcu jednoduchý. Obidve miesta sú utesnené pôsobením ligázy.

Teraz máme hybridnú DNA DNA (darcovská skupina a recipientná skupina rôzneho pôvodu) lemovaná donorovou DNA a DNA príjemcu. Body prechodu (chiasmata) sa pohybujú v oboch smeroch najmenej o 200 bp.

Každý bod kríženia tvorí tzv. Štruktúru Holliday (produkt krížovej DNA rekombinantnej udalosti).

Táto krížová DNA musí byť rozlíšená inými endonukleázami. Chimérická alebo hybridná DNA tejto štruktúry sa môže rozlíšiť dvoma spôsobmi. Ak sa druhý endonukleotidový výrez vyskytne v rovnakom pásme ako prvý, nedochádza k žiadnej rekombinácii. Ak sa druhý rez vyskytne v druhom páse, výsledné produkty sú rekombinantné.

Rekombinantná DNA v Hollidayovej štruktúre. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Mao-4armjunction-schematic.png.

Rekombinácia V (D) J

Toto je typ somatickej rekombinácie (nie meiotickej), ktorá prispieva k tvorbe obrovskej variability protilátok imunitného systému.

Táto rekombinácia sa uskutočňuje najmä fragmenty génov, ktoré kódujú polypeptidové reťazce, ktoré ich definujú. Vykonávajú ho B bunky a zahŕňa rôzne genetické oblasti.

Zaujímavé je, že existujú parazity, ako je Trypanosoma brucei, ktoré používajú podobný rekombinantný mechanizmus na vytvorenie variability povrchového antigénu. Týmto spôsobom sa môžu vyhnúť reakcii hostiteľa, ak hostiteľ nevytvorí protilátku schopnú rozpoznať "nový" antigén.

Diverzita protilátok vytvorených rekombináciou. es.m.wikipedia.org/wiki/File:Cambio_clase_recombinacion.PNG

-Ne homológna rekombinácia

Nakoniec existujú rekombinačné procesy, ktoré nezávisia od podobnosti v sekvencii zúčastnených molekúl. Napríklad v eukaryotoch je veľmi dôležitá rekombinácia nehomologických koncov.

K tomu dochádza u fragmentov DNA, ktoré vykazujú dvojité prerušenia pásov v DNA. Tieto sú "opravené" bunkou, ktorá ich spája s inými fragmentmi tiež s dvojitým prerušením pásma.

Tieto molekuly však nemusia byť nevyhnutne podobné, aby sa mohli zúčastňovať na tomto procese rekombinácie. To znamená, že opravou poškodenia sa môže bunka spojiť s nepríbuznými DNA, čím sa vytvorí skutočne nová (rekombinantná) molekula.

Dôležitosť rekombinácie

Dôležitosť ako príčina: replikácia a oprava DNA

Rekombinácia zaisťuje vernosť informácií o DNA počas a po procese replikácie. Rekombinácia detekuje poškodenie DNA počas nového procesu pruhovania v tejto mimoriadne dlhej makromolekule.

Pretože každé pásmo má svoje vlastné informácie a informácie o svojich doplnkových informáciách, rekombinácia zaručuje, že žiadna sa nestratí. Každý vystupuje ako svedok druhého. Podobne v diploidných organizmoch je homológny chromozóm svedkom jeho súrodenca a naopak.

Na druhej strane, po replikácii DNA sa mechanizmy opravy tejto molekuly menia. Niektoré sú priame (zranenie sa koná priamo) a iné sú nepriame.

Nepriame opravné mechanizmy závisia od uskutočnenia rekombinácie. To znamená, že na opravu poškodenia molekuly DNA sa používa iná homológna molekula. Toto by malo pôsobiť v reparatívnej rekombinácii ako šablóna, z ktorej vznikla škoda.

Dôležitosť v dôsledku: tvorba genetickej variability

Rekombinácia je schopná vytvoriť obrovskú variabilitu chromozómov počas meiózy. Somatická rekombinácia tiež vytvára variabilitu, ako v prípade protilátok u stavovcov.

V mnohých organizmoch je meióza gametická. U pohlavne sa rozmnožujúcich organizmov sa ukázalo, že rekombinácia je jedným z najúčinnejších spôsobov generovania variability.

To znamená, že k spontánnej mutácii a segregácii chromozómov sa musí pridať rekombinácia ako ďalší prvok, ktorý vytvára gametickú variabilitu.

Na druhej strane integrácia genómov bakteriofágu miestne špecifickou rekombináciou prispela k prestavbe genómu hostiteľských baktérií.

Prispelo to k vytvoreniu genomickej variability a evolúcie tejto dôležitej skupiny živých bytostí.

Rekombinácia a zdravie

Už sme videli, že DNA sa dá opraviť, ale nie to, čo ju poškodzuje. V skutočnosti môže takmer všetko poškodiť DNA, počnúc chybnou replikáciou, ktorá sa neopraví.

Ale okrem toho môže byť DNA poškodená UV svetlom, ionizujúcim žiarením, voľnými kyslíkovými radikálmi produkovanými bunkovým dýchaním a tým, čo jeme, fajčíme, dýchame, prijímame alebo sa dotýkame.

Našťastie sa nemusíte vzdať života kvôli ochrane DNA. Určité veci sa musia vzdať, ale veľkú prácu robí samotná bunka. Tieto mechanizmy na zisťovanie poškodenia DNA a jej opravy majú samozrejme genetický základ a ich nedostatok, obrovské následky.

Medzi choroby spojené s poruchami homológnej rekombinácie patria napríklad Bloom a Wernerove syndrómy, familiárna rakovina prsníka a vaječníkov atď.

Referencie

1. Alberts, B., Johnson, AD, Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2014) Molecular Biology of Cell (6. vydanie). WW Norton & Company, New York, NY, USA.
2. Bell, JC, Kowalczykowski, SC (2016) Mechanika a jednomolekulárne vyšetrovanie DNA rekombinácie. Annual Review of Biochemistry, 85: 193-226.
3. Prado, F. () Homologická rekombinácia: Na rozvetvenie a ďalej. Gény, doi: 10,3390 / gény9120603
4. Griffiths, AJF, Wessler, R., Carroll, SB, Doebley, J. (2015). Úvod do genetickej analýzy (11. vydanie). New York: WH Freeman, New York, NY, USA.
5. Tock, AJ, Henderson, IR (2018) Hotspoty na začatie meiotickej rekombinácie. Hranice v genetike, doi: 10.3389 / fgene.2018.00521
6. Wahl, A., Battesti, A., Ansaldi, M. (2018) Prophages in Salmonella enterica: hnacia sila pri pretváraní genómu a fyziológie ich bakteriálneho hostiteľa? Molecular Microbiology, doi: 10,1111 / mmi. 14167.
7. Wright, WD, Shah, SS, Heyer, WD (2018) Homológna rekombinácia a oprava dvojvláknových zlomov DNA. Journal of Biological Chemistry, 293: 10524-10535